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Die Erfindung betrifft einen Überlastungsschutz für Lautsprecher, die in Abgasanlagen von verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen bei der aktiven Auslöschung oder Beeinflussung von Schallwellen verwendet werden.
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Unabhängig von der Bauform eines Verbrennungsmotors (beispielsweise Hubkolbenmotor, Rotationskolbenmotor oder Freikolbenmotor) werden infolge der hintereinander ablaufenden Arbeitstakte (insbesondere Ansaugen und Verdichten eines Kraftstoff-Luftgemischs, Arbeiten und Ausstoßen des verbrannten Kraftstoff-Luftgemischs) Geräusche erzeugt. Diese durchlaufen zum einen als Körperschall den Verbrennungsmotor und werden außen am Verbrennungsmotor als Luftschall abgestrahlt. Zum anderen durchlaufen die Geräusche als Luftschall zusammen mit dem verbrannten Kraftstoff-Luftgemisch eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors.
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Diese Geräusche werden häufig als nachteilig empfunden. Zum einen gibt es gesetzliche Vorgaben zum Lärmschutz, die von Herstellern von verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen einzuhalten sind. Diese gesetzlichen Vorgaben geben in der Regel einen im Betrieb des Fahrzeugs maximal zulässigen Schalldruck vor. Zum anderen versuchen Hersteller, den von ihnen erzeugten verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen eine charakteristische Geräuschentwicklung aufzuprägen, welche zum Image des jeweiligen Herstellers passen und die Kunden ansprechen soll. Diese charakteristische Geräuschentwicklung lässt sich bei modernen Motoren mit geringem Hubraumvolumen häufig nicht mehr auf natürlichem Wege sicherstellen.
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Die den Verbrennungsmotor als Körperschall durchlaufenden Geräusche lassen sich gut dämmen und stellen daher in der Regel kein Problem hinsichtlich des Lärmschutzes dar.
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Die eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors zusammen mit dem verbrannten Kraftstoff-Luftgemisch als Luftschall durchlaufenden Geräusche werden durch vor der Mündung der Abgasanlage angeordnete Schalldämpfer reduziert, welche ggf. vorhandenen Katalysatoren nachgeschaltet sind. Derartige Schalldämpfer können beispielsweise nach dem Absorptions- und/oder Reflexionsprinzip arbeiten. Beide Arbeitsweisen weisen den Nachteil auf, dass sie ein vergleichsweise großes Volumen beanspruchen und dem verbrannten Kraftstoff-Luftgemisch einen relativ hohen Widerstand entgegen setzen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeuges sinkt und der Kraftstoffverbrauch steigt.
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Als Alternative oder zur Ergänzung von Schalldämpfern werden seit einiger Zeit sogenannte Antischall-Systeme entwickelt, die dem vom Verbrennungsmotor erzeugten und in der Abgasanlage geführten Luftschall elektroakustisch erzeugten Anti-Schall überlagern. Derartige Systeme sind beispielsweise aus den Dokumenten
US 4,177,874 ,
US 5,229,556 ,
US 5,233,137 ,
US 5,343,533 ,
US 5,336,856 ,
US 5,432,857 ,
US 5,600,106 ,
US 5,619,020 ,
EP 0 373 188 ,
EP 0 674 097 ,
EP 0 755 045 ,
EP 0 916 817 ,
EP 1 055 804 ,
EP 1 627 996 ,
DE 197 51 596 ,
DE 10 2006 042 224 ,
DE 10 2008 018 085 und
DE 10 2009 031 848 bekannt.
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Derartige Antischall-Systeme verwenden üblicherweise einen sogenannten Filtered-x Least mean squares (FxLMS) Algorithmus, der versucht, ein mittels eines Fehlermikrophons gemessenes Fehlersignal durch Ausgabe von Schall über wenigstens einen mit der Abgasanlage in Fluidverbindung stehenden Lautsprecher auf Null zu regeln.
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Zum Erzielen einer destruktiven Interferenz der Schallwellen des in der Abgasanlage geführten Luftschalls und des vom Lautsprecher erzeugten Anti-Schalls müssen die vom Lautsprecher herrührenden Schallwellen nach Amplitude und Frequenz den in der Abgasanlage geführten Schallwellen entsprechen, relativ zu diesen jedoch eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweisen. Für jedes Frequenzband des im Abgasrohr geführten Luftschalls wird der Anti-Schall mittels des FxLMS-Algorithmus gesondert berechnet, indem eine geeignete Frequenz und Phasenlage von zwei zueinander um 90 Grad verschobenen Sinusschwingungen bestimmt wird, und die Amplituden für diese Sinusschwingungen berechnet werden. Ziel von Antischall-Systemen ist, dass die Schallauslöschung zumindest außerhalb, ggf. aber auch innerhalb der Abgasanlage hörbar und messbar ist. Die Bezeichnung Anti-Schall dient in diesem Dokument zur Unterscheidung zu dem in der Abgasanlage geführten Luftschall. Für sich alleine betrachtet handelt es sich bei Anti-Schall um gewöhnlichen Luftschall.
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Ein entsprechendes Antischall-System kann von der Firma J. Eberspächer GmbH & Co. KG, Eberspächerstrasse 24, 73730 Esslingen, Deutschland bezogen werden.
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Bei vorbekannten Antischall-Systemen für Abgasanlagen ist es nachteilig, dass es aufgrund des Dauerbetriebs des wenigstens einen Lautsprechers zu einer thermischen Überlastung einer Schwingspule und/oder einer mechanischen Überlastung (beispielsweise einer Membran oder Spinne) des wenigstens einen Lautsprechers kommen kann.
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Zur Vermeidung der thermischen Überlastung der Schwingspule eines Lautsprechers wird in der
WO 02/21879 vorgeschlagen, die bei einem dem Lautsprecher zugeführten Signal zu erwartende Erwärmung der Schwingspule anhand eines mathematischen Modells des Lautsprechers und insbesondere der Schwingspule zu berechnen, und die Amplitude des dem Lautsprecher zugeführten Signals erforderlichenfalls so zu reduzieren, dass eine vorgegebene Temperatur der Schwingspule nicht überschritten wird.
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Die aus der
WO 02/21879 vorgeschlagene Lösung ist jedoch nicht für Lautsprecher von Antischall-Systemen für Abgasanlagen geeignet, da bei einer Reduzierung der Amplitude des den Lautsprechern zugeführten Signals nicht mehr sichergestellt werden kann, dass gesetzliche Vorgaben hinsichtlich des im Betrieb des Fahrzeugs maximal zulässigen Schalldrucks eingehalten werden. Weiter bleibt eine mechanische Überlastung unberücksichtigt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Überlastungsschutz für Lautsprecher von Anti-Schall-Systemen für Abgasanlagen bereitzustellen, welcher eine thermische Überlastung einer Schwingspule der Lautsprecher und/oder eine mechanische Überlastung (beispielsweise einer Membran oder Spinne) der Lautsprecher auf wirksame Weise vermeidet und gleichzeitig in ausreichendem Maß gewährleistet, dass ein zulässiger Schalldruck des in der Abgasanlage geführten Luftschalls nicht überschritten wird.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zum Steuern eines Antischall-Systems für eine Abgasanlage eines verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugs zur Erzeugung eines Anti-Luftschalls in der Abgasanlage anhand von gemessenem Schall, um in der Abgasanlage geführten, von einem Verbrennungsmotor erzeugten Luftschall im Bereich der Stelle in der Abgasanlage, an welcher der Schall gemessen wird, zumindest teilweise und bevorzugt vollständig in Betrag und Phase auszulöschen. Diese Schallauslöschung soll zumindest außerhalb der Abgasanlage, bevorzugt aber auch innerhalb der Abgasanlage hörbar und messbar sein. Dabei bedeutet ”im Bereich der Stelle in der Abgasanlage, an welcher der Schall gemessen wird”, dass die Stelle, an welcher der Schall zumindest teilweise ausgelöscht wird, bezüglich der Abgasströmung stromabwärts oder stromaufwärts um nicht mehr als das zehnfache und insbesondere um nicht mehr als das fünffache und weiter insbesondere um nicht mehr als das doppelte des maximalen Durchmessers der Abgasanlage an der Stelle, an welcher der Schall gemessen wird, entlang der Abgasströmung beabstandet ist. Das Verfahren weist die Schritte des Messens von Schall im Inneren der Abgasanlage und des Berechnens eines Steuersignals anhand des gemessenen Schalls auf. Das Steuersignal kann so bestimmt werden, dass es eine vollständige oder teilweise Auslöschung des in der Abgasanlage geführten Luftschalls bewirkt, wenn ein in der Abgasanlage angeordneter Lautsprecher mit dem Steuersignal betrieben wird. Weiter weist das Verfahren den Schritt des Berechnens einer bei Betreiben mit dem Steuersignal zu erwartenden thermischen Belastung der Schwingspule wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems und/oder einer mechanischen Belastung (beispielsweise einer Membran oder Spinne) wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers auf. Dieses mathematische Modell kann beispielsweise in Form einer Formel, Kennlinie oder Tabelle vorliegen. Das mathematische Modell kann dabei im Hinblick auf die thermische Belastung der Schwingspule des Lautsprechers so ausgestaltet sein, wie es in der
WO 02/21879 beschrieben ist. Auf die entsprechende Lehre dieses Dokuments wird vollumfänglich Bezug genommen. Weiter weist das Verfahren die Schritte des Vergleichens der berechneten thermischen und/oder mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung, des Betreibens des Lautsprechers mit dem Steuersignal, falls die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, und des Veränderns des Spektrums des Steuersignals, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, falls die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist und Betreiben des Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal, auf. Die Reduktion der thermischen Belastung der Schwingspule und/oder der mechanischen Belastung des Lautsprechers wird somit nicht durch eine generelle Absenkung der Amplitude des Steuersignals über alle Frequenzen, sondern durch eine Änderung des Spektrums des Steuersignals bewirkt. Beispielsweise können die Amplituden von Frequenzen, die nur einen geringen Beitrag zur Schallauslöschung beitragen, zu Null gesetzt werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst der Schritt des Veränderns des Spektrums des Steuersignals die Unterschritte des Vergleichens der Amplituden der einzelnen Frequenzen des Steuersignals mit einem Schwellwert, des Setzens der Amplituden derjenigen Frequenzen des Steuersignals zu null, deren Amplituden kleiner oder gleich dem Schwellwert sind, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, des Berechnens einer bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartenden thermischen Belastung der Schwingspule und/oder mechanischen Belastung wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule beziehungsweise des Lautsprechers, des Vergleichens der berechneten thermischen und/oder mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung, des Herabsetzens des Schwellwerts und Wiederholen der vorstehenden Schritte, falls die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, und des Betreibens des Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal, sobald die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, auf. Somit werden in dieser Ausführungsform Amplituden von Frequenzen, welche unterhalb des Schwellwerts liegen, gleich Null gesetzt. In der Folge wird das Spektrum des Steuersignals dahingehend verändert, dass Frequenzen mit kleinen Amplituden ausgelöscht werden. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. So kann es aus Gründen des Sounddesigns zweckmäßig sein, Frequenzen mit großen Amplituden gleich Null zu setzen und Frequenzen mit kleinen Amplituden unverändert zu lassen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst der Schritt des Veränderns des Spektrums des Steuersignals die Unterschritte des Zuordnens der Frequenzen des Steuersignals zu Motorordnungen des Verbrennungsmotors, des Setzens der Amplituden derjenigen Frequenzen des Steuersignals zu null, deren Motorordnung größer oder gleich einem Schwellwert sind, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, des Berechnens einer bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartenden thermischen Belastung der Schwingspule wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems und/oder zu erwartenden mechanischen Belastung des wenigstens einen Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers, des Vergleichens der berechneten thermischen und/oder mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung, des Herabsetzens des Schwellwerts und Wiederholen der vorstehenden Schritte, falls die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, und des Betreibens des Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal, sobald die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, auf. Somit werden in dieser Ausführungsform Frequenzen, welche einer hohen Motorordnung oberhalb des Schwellwerts zuzuordnen sind, gleich Null gesetzt. In der Folge wird das Spektrum des Steuersignals dahingehend verändert, dass Frequenzen, welche niedrigen Motorordnungen zuzuordnen sind, beibehalten werden, wohingegen Frequenzen, welche höheren Motorordnungen zuzuordnen sind, ausgelöscht werden. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. So kann es aus Gründen des Sounddesigns zweckmäßig sein, Frequenzen, welche niedrigen Motorordnungen zuzuordnen sind, gleich Null zu setzen und Frequenzen, welche höheren Motorordnungen zuzuordnen sind, unverändert zu lassen.
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Dabei ist der Begriff der Motorordnung wie folgt definiert: Verbrennungsmotoren sind nichtlineare oszillierende Systeme. Diese weisen ein Spektrum auf, welches neben der Grundfrequenz auch Vielfache der Grundfrequenz beinhaltet. Ganzzahlige Vielfache werden als Harmonische bezeichnet. Bei variabler Grundfrequenz variieren die Frequenzen der Vielfachen der Grundfrequenz sowohl untereinander als auch im konstanten Verhältnis zur Grundfrequenz. Sie werden dann als Ordnungen bezeichnet, wobei die Ordnungszahl den Faktor zur Grundfrequenz angibt. Beispielsweise ist die 2te Motorordnung diejenige Frequenzkurve, die der doppelten Motordrehzahl entspricht. Aufgrund von Über- oder Untersetzungen sind in realen Motorsystemen auch nichtganzzahlige und insbesondere halbstufige Ordnungen möglich.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform umfasst der Schritt des Veränderns des Spektrums des Steuersignals die Unterschritte der Detektion von Signalanteilen des Steuersignals, welche vom menschlichen Gehör schlecht oder gar nicht wahrgenommen werden können, anhand eines psychoakustischen Modells des menschlichen Gehörs, des Setzens der Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals zu null, deren Wahrnehmbarkeit durch das menschliche Gehör kleiner oder gleich einem Schwellwert sind, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, des Berechnens einer bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartenden thermischen Belastung der Schwingspule wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems und/oder zu erwartenden mechanischen Belastung des wenigstens einen Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers, des Vergleichen der berechneten thermischen und/oder mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung, des Herabsetzens des Schwellwerts und Wiederholen der vorstehenden Schritte, falls die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, und des Betreibens des Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal, sobald die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist. Auf diese Weise ist es möglich, gezielt auf solche Signalanteile zu verzichten, welche durch das normalhörige menschliche Gehör ohnehin nicht wahrgenommen werden würden. In Ausführungsformen können insbesondere das menschliche Tonaudiogramm für Normalhörigkeit und/oder Markierungseffekte, die insbesondere bei schwachen Frequenzanteilen in der Nähe von starken Obertönen auftreten, berücksichtig werden. Dabei kann auf beispielsweise im ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 (MPEG-1 Audio Layer III und MPEG-2 Audio Layer III) Standard beschriebene Techniken zurückgegriffen werden.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform umfasst der Schritt des Veränderns des Spektrums des Steuersignals die Unterschritte der Detektion von Signalanteilen des Steuersignals, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, anhand eines mathematischen Models des die Schwingspule umfassenden Lautsprechers, des Erhöhens der Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, und des Berechnens einer bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartenden thermischen Belastung der Schwingspule wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems und/oder zu erwartenden mechanischen Belastung des wenigstens einen Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers. Anschließend folgen die Schritte des Vergleichens der berechneten thermischen und/oder mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung, des Herabsetzens der Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen und des Wiederholens der beiden letzten vorstehenden Schritte, falls die berechnete mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist. Dabei ist das Maß der Herabsetzung der Amplitude ungleich der vorangegangenen Anhebung der Amplitude, also größer oder kleiner. Weiter folgen die Schritt des nochmaligen Heraufsetzens der Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen und Wiederholen der beiden letzten vorstehenden Schritte, falls die berechnete mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist und gleichzeitig die berechnete thermische Belastung größer als die Höchstbelastung ist. Sobald die berechnete thermische und/oder mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, folgt ein Schritt des Betreibens des Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal.
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Indem die Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals erhöht werden, die im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, führt eine geringe Amplitudenerhöhung einzelner Signalanteile zu einer überproportionalen Auslenkung der Membran des Lautsprechers. Hierdurch steigt der an der Schwingspule vorbei geleitete Luftstrom und damit die Eigenkühlung der Schwingspule in einem Maße an, welche den zusätzlichen Temperaturanstieg der Schwingspule in Folge der Amplitudenerhöhung überkompensiert. Entsprechend führt eine geringfügige Absendung derjenigen Signalanteile des Steuersignals, die im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, zu einer überproportionalen Verringerung der Auslenkung der Membran des Lautsprechers.
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In Ausführungsformen ist die vorgegebene Höchstbelastung ein Temperaturwert und/oder eine maximale Auslenkung einer Membran des Lautsprechers, und damit ein zeitunabhängiger Wert.
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Gemäß alternativer Ausführungsformen ist die vorgegebene Höchstbelastung eine Funktion aus Temperatur und Dauer und/oder eine Funktion aus einer maximalen Auslenkung einer Membran des Lautsprechers und einer Häufigkeit. Somit wird die Höchstbelastung erst dann überschritten, wenn ein Temperaturwert für eine gewisse Mindestdauer überschritten wird, bzw. eine maximale Auslenkung innerhalb einer Zeitspanne zu häufig auftritt. Hierfür kann das Temperatur- bzw. Auslenkungs-Kollektiv beispielsweise nach den Regeln der linearen Schadensakkumulation ausgewertet werden. Hierdurch können kurzzeitige Belastungen, welche noch nicht zu einer Beeinträchtigung der Lebensdauer des Lautsprechers führen, toleriert werden.
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Gemäß Ausführungsformen berücksichtigt das mathematische Model der Schwingspule wenigstens einen der Parameter aus Umgebungstemperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, Signal eines Regensensors, Abgastemperatur, Motordrehzahl, Motordrehmoment und Anströmung des Lautsprechers durch Fahrtwind. Die Luftfeuchte kann dabei verwendet werden, um die Wärmekapazität der den Lautsprecher umgebenden Luft anzupassen. Das Ausgangssignal des Regensensors erlaubt eine Bereichsabschätzung für die Außentemperatur und Luftfeuchte. Einige oder alle der vorstehenden Werte können auf einem CAN-Bussen einer Motorsteuerung eines Fahrzeugs bereitgestellt werden.
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Ausführungsformen eines Antischall-Systems für Abgasanlagen eines verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugs weisen eine Antischall-Steuerung, wenigstens einen Lautsprecher, und ein Fehlermikrophon auf. Dabei ist der wenigstens eine Lautsprecher zum Empfang von Steuersignalen mit der Antischall-Steuerung verbunden und ausgebildet, in Abhängigkeit eines von der Antischall-Steuerung empfangenen Steuersignals in einem Schallerzeuger, welcher mit der Abgasanlage in Fluidverbindung gebracht werden kann, einen Anti-Schall zu erzeugen. Weiter ist das Fehlermikrophon mit der Antischall-Steuerung verbunden und an einer im Bereich der Fluidverbindung zwischen Schallerzeuger und Abgasanlage gelegenen Stelle der Abgasanlage anordenbar und ausgebildet, Schall im Inneren der Abgasanlage zu messen und ein entsprechendes Messsignal an die Antischall-Steuerung auszugeben. Dabei bedeutet ”im Bereich der Fluidverbindung”, dass das Fehlermikrophon von der Fluidverbindung zwischen Schallerzeuger und Abgasanlage bezüglich der Abgasströmung stromabwärts oder stromaufwärts um nicht mehr als das zehnfache und insbesondere um nicht mehr als das fünffache und weiter insbesondere um nicht mehr als das doppelte des maximalen Durchmessers der Abgasanlage an dieser Fluidverbindung entlang der Abgasströmung beabstandet ist. Die Antischall-Steuerung ist zum Ausführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet, um von dem Fehlermikrophon erhaltene Signale (und damit in der Abgasanlage geführten Luftschall) durch Ausgabe des Steuersignals an den wenigstens einen Lautsprecher zumindest teilweise und bevorzugt vollständig in Betrag und Phase auszulöschen. Diese Schallauslöschung soll zumindest außerhalb der Abgasanlage, bevorzugt aber auch innerhalb der Abgasanlage hörbar und messbar sein.
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Ausführungsformen eines Kraftfahrzeugs weisen einen Verbrennungsmotor, eine Abgasanlage, die mit dem Verbrennungsmotor in Fluidverbindung steht, und das vorstehend beschriebene Antischall-System auf, wobei der Schallerzeuger mit der Abgasanlage verbunden und das Fehlermikrophon in oder an der Abgasanlage angeordnet ist.
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In diesem Zusammenhang wird darauf verwiesen, dass in dieser Schrift, sofern im Einzelnen nicht explizit anders angegeben, durchgehend und abweichend vom deutschen Sprachgebrauch der Begriff ”steuern” gleichbedeutend mit dem Begriff ”regeln” verwendet wird. Dies betrifft auch alle grammatikalischen Abwandlungen beider Begriffe. In dieser Schrift kann daher der Begriff ”Steuerung” ebenso eine Rückführung einer Regelgröße bzw. deren Messwerts umfassen, wie sich der Begriff ”Regelung” auf eine einfache Steuerkette beziehen kann.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe ”umfassen”, ”aufweisen”, ”beinhalten”, ”enthalten” und ”mit”, sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Antischall-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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2 schematisch ein Blockdiagramm des Antischall-Systems aus 1 im Zusammenwirken mit einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors zeigt,
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3 ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Steuern des Antischall-Systems für Abgasanlagen aus 1 und 2 gemäß einer allgemeinen Ausführungsform zeigt; und
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4A, 4B, 4C, 4D ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Steuern des Antischall-Systems für Abgasanlagen aus 1 und 2 gemäß einer ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform zeigt.
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Ein Antischall-System 7 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
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Das Antischall-System 7 weist einen Schallerzeuger 3 in Form eines schallisolierten Gehäuses auf, welches einen Lautsprecher 2 enthält und im Bereich eines Endrohrs 1 mit einer Abgasanlage 4 in Fluidverbindung steht.
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Das Endrohr 1 weist eine Mündung 8 auf, um in der Abgasanlage 4 geführtes Abgas nach außen abzugeben.
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An dem Endrohr 1 ist ein Fehlermikrophon 5 in Form eines Drucksensors vorgesehen. Das Fehlermikrofon 5 misst Druckschwankungen und damit Schall im Inneren des Endrohrs 1 in einem Abschnitt stromabwärts eines Bereichs, in dem die Fluidverbindung zwischen Abgasanlage 4 und Schallerzeuger 3 bereitgestellt wird. Es wird jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Anordnung des Fehlermikrophons beschränkt ist. Allgemein ist es ausreichend, wenn das Fehlermikrophon von der Fluidverbindung zwischen Schallerzeuger und Abgasanlage bezüglich der Abgasströmung stromabwärts oder stromaufwärts um nicht mehr als das zehnfache und insbesondere um nicht mehr als das fünffache und weiter insbesondere um nicht mehr als das doppelte des maximalen Durchmessers der Abgasanlage an dieser Fluidverbindung entlang der Abgasströmung beabstandet ist.
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Der Lautsprecher 2 und das Fehlermikrophon 5 sind elektrisch mit einer Antischall-Steuerung 10 verbunden.
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Die Abgasanlage 4 kann weiter einen zwischen einem Verbrennungsmotor 6 und dem Endstück 1 angeordneten Katalysator (nicht gezeigt) zur Reinigung des von dem Verbrennungsmotor 6 emittierten und in der Abgasanlage 4 geführten Abgases aufweisen.
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Die Funktionsweise des vorstehenden Antischall-Systems 7 wird nachfolgend anhand der Flussdiagramme aus 3, 4A, 4B, 4C und 4D näher erläutert.
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Die grundsätzliche Arbeitsweise der Antischall-Steuerung 10 ist in 3 gezeigt.
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Zunächst wird in Schritt S1 mittels des Fehlermikrophons 5 im Inneren der Abgasanlage im Bereich des Endrohrs 1 geführter Schall gemessen.
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Im folgenden Schritt S2 berechnet die Antischall-Steuerung 10 anhand des gemessenen Schalls unter Verwendung eines Filtered-x Least mean squares (FxLMS) Algorithmus ein Steuersignal, welches eine weitgehende Auslöschung des im Inneren der Abgasanlage geführten Schalls durch Beaufschlagung mit Anti-Schall erlaubt.
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Anschließend (S3) berechnet die Antischall-Steuerung
10 eine bei Betreiben mit dem Steuersignal zu erwartende thermische Belastung der Schwingspule des Lautsprechers
2 anhand eines in der Antischall-Steuerung gespeicherten mathematischen Models der Schwingspule. Dabei wird das in der
WO 02/21879 beschriebene Modell des Lautsprechers
2 verwendet, wobei zusätzlich die Umgebungstemperatur eines das Antischall-System
7 aufnehmenden Fahrzeugs und damit die Umgebungstemperatur des Lautsprechers
2, der momentane Luftdruck, die momentane Luftfeuchte, die Abgastemperatur, die Motordrehzahl, das Motordrehmoment, sowie die aufgrund der Fahrzeuggeometrie und Fahrzeuggeschwindigkeit zu erwartende Anströmung des Lautsprechers durch Fahrtwind in dem Modell berücksichtigt werden. Dabei wird zur Bereichsabschätzung der Luftfeuchte und Umgebungstemperatur auch das Ausgangssignal eines Regensensors des Fahrzeugs verwendet. Anstelle in Form einer Formel kann das mathematische Modell beispielsweise auch in Form einer Kennlinie oder Tabelle vorliegen. Die Luftfeuchte und Abgastemperatur ermittelt die Antischall-Steuerung
10 mittels geeigneter Sensoren (nicht gezeigt), und die Motordrehzahl, das Motordrehmoment, das Ausgangssignal des Regensensors sowie die Fahrzeuggeschwindigkeit wird der Antischall-Steuerung
10 durch die Motorsteuerung des Motors
6 über einen CAN-Bus zugeführt.
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Die Berücksichtigung von über den CAN-Bus durch eine Motorsteuerung bereitgestellten Parametern erlaubt es, eine zukünftig zu erwartende Temperaturentwicklung der Schwingspule vorwegzunehmen. Beispielsweise kann bei stark steigender Drehzahl von einer mit kurzer Verzögerung steigenden Abgastemperatur ausgegangen werden, oder kann bei stark abnehmender Fahrzeuggeschwindigkeit von einer reduzierten Kühlung des Lautsprechers durch die Umgebungsluft ausgegangen werden. Hierdurch wird ein Betrieb der Schwingspule ermöglicht, der präventiv zukünftige Belastungen berücksichtigt, da zukünftige Temperaturerhöhungen der Schwingspule aufgrund äußerer Parameter wie beispielsweise erhöhte Abgastemperatur oder reduzierte Kühlung vorhergesagt werden können. Somit kann das mathematische Modell der Schwingspule durch Verwendung der vorstehenden Parameter den Betriebszustand des Fahrzeugs und des Motors dynamisch berücksichtigen.
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Zugleich berechnet die Antischall-Steuerung 10 in Schritt S3 eine bei Betreiben mit dem Steuersignal zu erwartende mechanische Belastung einer Membran und Spinne des Lautsprechers 2 anhand eines in der Antischall-Steuerung gespeicherten mathematischen Models des Lautsprechers.
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In Schritt S4 wird die berechnete thermische Belastung der Schwingspule und mechanischen Belastung des Lautsprechers mit einer vorgegebenen Höchstbelastung verglichen. Dabei sind für die thermische Belastung und die mechanische Belastung jeweils separate Höchstbelastungen vorgegeben.
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Diese thermische Höchstbelastung ist in der gezeigten Ausführungsform nicht als einfacher Temperaturwert, sondern als Funktion aus Temperatur und Dauer vorgegeben. Somit berücksichtigt die Antischall-Steuerung 10 die Historie der Belastung der Schwingspule, so dass kurzzeitige Überhöhungen der Temperatur der Schwingspule zugelassen werden, solange die Lebenserwartung des Lautsprechers 2 insgesamt dadurch nicht beeinträchtigt wird.
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Auch die mechanische Höchstbelastung ist keine einfache maximale Auslenkung von Membran und Spinne des Lautsprechers, sondern eine Funktion aus Auslenkung und Häufigkeit.
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Falls die berechnete thermische und mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, wird der Lautsprecher mit dem in Schritt S2 durch die Antischall-Steuerung berechneten Steuersignal betrieben (S5).
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Anderenfalls, falls die berechnete thermische oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, wird das Spektrum des Steuersignals in Schritt S6 verändert, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten, und wird der Lautsprecher 2 mit dem korrigierten Steuersignal betrieben.
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Auch wenn in 3 nur ein Durchlauf durch die Steuerschleife der Antischall-Steuerung 10 gezeigt ist, so ist für den Fachmann jedoch offensichtlich, dass diese Steuerschleife aufgrund eines veränderten Spektrums des in der Abgasanlage 5 geführten Schalls z. B. infolge einer geänderten Motordrehzahl in der Praxis anschließend zumeist sofort wieder von vorne durchlaufen wird.
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Vier alternative Ausführungsformen des Schrittes S6 sind in den 4A, 4B, 4C und 4D gezeigt.
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Gemäß einer in 4A gezeigten ersten Ausführungsform werden in einem ersten Schritt S61 zunächst die Amplituden der einzelnen Frequenzen des Steuersignals mit einem in der Antischall-Steuerung 10 gespeicherten Anfangs-Schwellwert verglichen.
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Anschließend werden die Amplituden derjenigen Frequenzen des Steuersignals zu null gesetzt, deren Amplituden kleiner oder gleich dem Schwellwert sind, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten (S62).
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Im folgenden Schritt S63 wird durch die Antischall-Steuerung 10 eine bei Betreiben mit dem korrigierten. Steuersignal zu erwartende thermische Belastung der Schwingspule des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 sowie eine zu erwartende mechanische Belastung einer Membran und Spinne des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 anhand des in der Antischall-Steuerung 10 gespeicherten mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers berechnet. Diese Berechnung erfolgt analog der Berechnung in Schritt S3 aus 3.
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Danach wird die berechnete thermische und mechanische Belastung in Schritt S64 jeweils mit einer in der Antischall-Steuerung 10 in Abhängigkeit von einem jeweils verwendeten Lautsprecher 2 vorgegebenen Höchstbelastung verglichen. Dieser Vergleich erfolgt analog des Vergleichs in Schritt S4 aus 3.
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Falls die berechnete thermische oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, wird der Schwellwert in Schritt S66 herabgesetzt und kehrt das Verfahren zu Schritt S61 zurück.
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Falls die berechnete thermische und mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, wird der Lautsprecher 2 in Schritt S65 hingegen mit dem korrigierten Steuersignal betrieben.
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Gemäß einer in 4B gezeigten zweiten Ausführungsform werden in einem ersten Schritt S61' zunächst Frequenzen des Steuersignals zu Motorordnungen des Verbrennungsmotors 6 zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt in der gezeigten Ausführungsform anhand von Vielfachen der Motordrehzahl.
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Im folgenden Schritt S62' werden Amplituden derjenigen Frequenzen des Steuersignals zu null gesetzt, deren Motorordnung größer oder gleich einem in der Antischall-Steuerung 10 gespeicherten Anfangs-Schwellwert sind, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten.
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Anschließend wird eine bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartende thermische Belastung der Schwingspule des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 sowie eine zu erwartende mechanische Belastung einer Membran und Spinne des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 anhand des in der Antischall-Steuerung 10 gespeicherten mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers 2 berechnet (S63'). Diese Berechnung erfolgt analog der Berechnung in Schritt S3 aus 3.
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Im folgenden Schritt S64' wird die berechnete thermische und mechanische Belastung analog dem Schritt S4 aus 3 jeweils mit einer in der Antischall-Steuerung 10 in Abhängigkeit von einem jeweils verwendeten Lautsprecher 2 vorgegebenen Höchstbelastung verglichen. Dieser Vergleich erfolgt analog des Vergleichs in Schritt S4 aus 3.
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Falls die berechnete thermische oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, wird der Schwellwert in Schritt S66' herabgesetzt, bevor das Verfahren zu Schritt S61' zurückkehrt.
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Anderenfalls, sobald die berechnete thermische und mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, wird der Lautsprecher 2 in Schritt S65' mit dem korrigierten Steuersignal betrieben.
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Gemäß einer in 4C gezeigten dritten Ausführungsform werden in einem ersten Schritt S61* zunächst anhand eines psychoakustischen Modells des menschlichen Gehörs Signalanteile des Steuersignals, welche vom menschlichen Gehör schlecht oder gar nicht wahrgenommen werden können, detektiert. Diese Zuordnung erfolgt in der gezeigten Ausführungsform analog zum ISO/IEC 11172-3 und ISO/IEC 13818-3 Standard.
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Im folgenden Schritt S62* werden Amplituden derjenigen Frequenzen des Steuersignals zu null gesetzt, deren Wahrnehmbarkeit durch das menschliche Gehör kleiner oder gleich einem Schwellwert ist, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten.
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Anschließend wird eine bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartende thermische Belastung der Schwingspule des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 sowie eine zu erwartende mechanische Belastung einer Membran und Spinne des Lautsprechers 2 des Antischall-Systems 7 anhand des in der Antischall-Steuerung 10 gespeicherten mathematischen Models der Schwingspule bzw. des Lautsprechers berechnet (S63*). Diese Berechnung erfolgt analog der Berechnung in Schritt S3 aus 3.
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Im folgenden Schritt S64* wird die berechnete thermische und mechanische Belastung analog dem Schritt S4 aus 3 jeweils mit einer in der Antischall-Steuerung 10 in Abhängigkeit von einem jeweils verwendeten Lautsprecher 2 vorgegebenen Höchstbelastung verglichen. Dieser Vergleich erfolgt analog des Vergleichs in Schritt S4 aus 3.
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Falls die berechnete thermische oder mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, wird der Schwellwert in Schritt S66* herabgesetzt, bevor das Verfahren zu Schritt S61* zurückkehrt.
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Anderenfalls, sobald die berechnete thermische und mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, wird der Lautsprecher 2 in Schritt S65* mit dem korrigierten Steuersignal betrieben.
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Gemäß einer in 4D gezeigten vierten Ausführungsform werden in einem ersten Schritt S61* anhand eines mathematischen Models des die Schwingspule umfassenden Lautsprechers Signalanteile des Steuersignals detektiert, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen.
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Anschließend werden in Schritt S62# die Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals angehoben und so erhöht, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, um ein korrigiertes Steuersignal zu erhalten. Diese Anhebung erfolgt in der gezeigten Ausführungsform um einen vorgegebenen Absolutbetrag. Alternativ kann diese Anhebung beispielsweise auch um einen auf den Betrag der jeweiligen Amplitude bezogenen vorgegebenen Relativbetrag erfolgen.
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Im folgenden Schritt S63# werden jeweils eine bei Betreiben mit dem korrigierten Steuersignal zu erwartende thermische Belastung der Schwingspule wenigstens eines Lautsprechers des Antischall-Systems und eine zu erwartende mechanische Belastung des wenigstens einen Lautsprechers des Antischall-Systems anhand eines mathematischen Models der Schwingspule beziehungsweise des Lautsprechers berechnet.
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Es folgt ein Vergleichen (S64#) der berechneten thermischen und mechanischen Belastung mit einer vorgegebenen Höchstbelastung.
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Falls die berechnete mechanische Belastung größer als die Höchstbelastung ist, werden anschließend im folgenden Schritt S66# die Amplituden derjenigen Signalanteile des Steuersignals, welche im Resonanzbereich des Lautsprechers liegen, wieder herabgesetzt und damit erniedrigt, bevor die Schritte S63* bis S64* wiederholt werden. Diese Herabsetzung erfolgt in der gezeigten Ausführungsform um einen vorgegebenen Absolutbetrag, welcher der Hälfte des in Schritt S62# für die vorangegangene Anhebung verwendeten Absolutbetrags entspricht. Alternativ kann diese Absenkung beispielsweise auch um einen auf den Betrag der in Schritt S62# für die vorangegangene Anhebung verwendeten Betrag bezogenen vorgegebenen Relativbetrag erfolgen. Entscheidend ist dass die Absenkung nicht genauso groß ist wie die vorangegangene Anhebung und umgekehrt.
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Falls die berechnete mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, die berechnete thermische Belastung jedoch größer als die Höchstbelastung ist, werden die Schritte S62# bis S64# wiederholt.
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Sobald die berechnete thermische und mechanische Belastung kleiner oder gleich der Höchstbelastung ist, wird der Lautsprechers mit dem korrigierten Steuersignal betrieben (S65#).
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Auch wenn in den vorstehend anhand der 4A, 4B, 4C und 4D beschriebenen Ausführungsformen jeweils sowohl die thermische Belastung der Schwingspule als auch die mechanische Belastung des Lautsprechers berücksichtigt wurden, kann abweichend davon auch nur eines von der thermischen Belastung der Schwingspule und der mechanischen Belastung des Lautsprechers berücksichtigt werden, und die jeweils andere Belastung unberücksichtigt bleiben.
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In den Figuren sind im Interesse einer übersichtlichen Darstellung nur diejenigen Elemente, Komponenten und Funktionen dargestellt, die einem Verständnis der vorliegenden Erfindung förderlich sind. Ausführungsformen der Erfindung sind jedoch nicht auf die dargestellten Elemente, Komponenten und Funktionen beschränkt, sondern enthalten weitere Elemente, Komponenten und Funktionen, soweit sie für ihre Verwendung oder ihren Funktionsumfang erforderlich sind.
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Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand von maximal zwei idealen Steuersignalen beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht begrenzt. Vielmehr lässt sich die Erfindung auf eine beliebige Anzahl von idealen Steuersignalen erweitern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4177874 [0006]
- US 5229556 [0006]
- US 5233137 [0006]
- US 5343533 [0006]
- US 5336856 [0006]
- US 5432857 [0006]
- US 5600106 [0006]
- US 5619020 [0006]
- EP 0373188 [0006]
- EP 0674097 [0006]
- EP 0755045 [0006]
- EP 0916817 [0006]
- EP 1055804 [0006]
- EP 1627996 [0006]
- DE 19751596 [0006]
- DE 102006042224 [0006]
- DE 102008018085 [0006]
- DE 102009031848 [0006]
- WO 02/21879 [0011, 0012, 0015, 0044]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO/IEC 11172-3 [0019]
- ISO/IEC 13818-3 [0019]
- ISO/IEC 11172-3 [0066]
- ISO/IEC 13818-3 [0066]
